Stationäre Batterien in Photovoltaikanlagen: Energieanalysen und Kostenbetrachtungen

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1 Stationäre Batterien in Photovoltaikanlagen: Energieanalysen und Kostenbetrachtungen Prof. Dr. Heinrich Häberlin Fachbereich Elektro- und Kommunikationstechnik Photovoltaik-Labor Tel , Fax CH-3400 Burgdorf / SCHWEIZ Internet: heinrich.haeberlin@bfh.ch Wieviel Solarstrom erträgt das Stromnetz? Prinzip des Netzverbundbetriebs von Photovoltaik- Anlagen (Pfeile = Energieflussrichtungen). Hydraulische Thermische Konventionelle Kernkraftwerke Kohlekraftwerke Ölbefeuerte Laufkraftwerke Speicherkraftwerke Pumpspeicherkraftwerke Gas- WKK-Anlagen Netz Verbraucher für neue erneuerbare Energien Wind- PV- ~ = PV-Hausanlagen = ~ Verbraucher Solarthermische Biomasse- Geothermie-KW Photovoltaikanlagen Thermische KW 2 Bild aus []

2 3 Bild aus [] Stromerzeugung in der Schweiz am ohne PV-Produktion 4 ca. 9% vom Jahresverbrauch CH-Stromerzeugung und ohne Regulationsprobleme max. verkraftbare Produktion von PV-Anlagen ohne Leistungsbegrenzung am

3 5 Für noch höhere Energiemengen aus Photovoltaik und Wind: - Speicherung (Pumpspeicherwerke (einige h bis einige 00h), Kurzzeitspeicherung (einige h) in Akkus, Druckluftkraftwerke) - Produktion von Wasserstoff, bei Bedarf mit Brennstoffzellen wieder in Strom umwandelbar (Energiewirkungsgrad relativ tief!) - Intelligentes Lastmanagement: Lastverschiebung bei Lasten, die im Energiebezug flexibel sind (z.b. Kühlanlagen, Wärmepumpen mit Speichern, Elektromobile) - Verstärkter internationaler Energieaustausch in Europa (irgendwo in Europa scheint die Sonne tagsüber immer!) Netzausbau und mehr Hochspannungsleitungen nötig. - Globales elektrisches Verbundnetz mit Hochspannungs-Gleichstromübertragung HGÜ (irgendwo scheint die Sonne immer!) (Tag-Nacht-Ausgleich West-Ost, saisonaler Ausgleich Nord-Süd) Netzausbau und mehr Hochspannungsleitungen nötig. - Projekt Desertec: PV, CSP, Wind, Biomasse, Geothermie Kurzzeitspeicher (einige h) auf Akkumulatorenbasis (z.b. Pb, NiCd, NaS, Li-Ionen, Vanadium-Redox-Flow) Leistungsbereich bis einige 0 MW, Energiespeicherkapazität bis 200 MWh Energetischer Zyklenwirkungsgrad des Speichersystems (AC-Energie Akku AC-Energie) etwa 70% bis 80%. Probleme bei Akkuspeichern: - Akkus altern bei jedem Zyklus - Anzahl Zyklen und Entladetiefe beschränkt - Viel Energie (graue Energie) für Akkuherstellung nötig Für nachhaltiges System muss die durch Zyklierung verlorene graue Energie mitberücksichtigt werden! Entsprechende Angaben von Akkuherstellern fehlen meist. 6 3

4 Aus einer Studie von Rydh (999) für Pb-Akkus [2]: Speichervermögen 450 kwh, pro Tag mit 50 kwh zykliert, 5 Jahre so betrieben, energetischer Zyklenwirkungsgrad 75%. Bei Berücksichtigung der durch diese Zyklierung vernichteten grauen Energie beträgt der energetische Zyklenwirkungsgrad: Bei Verwendung von 50% rezykliertem Blei: 66% Bei Verwendung von 99% rezykliertem Blei: 68% Dies bedeutet, das effektiv für die Ladung und Akkuproduktion zusammen etwa 50% mehr Energie erforderlich ist, als später entnommen werden kann! 7 8 Mögliches Szenario für die Schweiz []: 2'000'000 Fahrzeugen mit (teilweisem) Elektroantrieb durchschnittliche Speicherkapazität 0 kwh Anschlussleistung 4 kw pro Fahrzeug Für Netzregulation verfügbare Speicherkapazität 4 kwh Bei Bedarf ins Netz abgebbare Energie ca. 8 GWh (z.b. maximal 8 GW während Stunde oder auch GW während 8 Stunden). Für die Aufladung während des Tages nötig 0 GWh (Energetischer Zyklenwirkungsgrades der dabei wahrscheinlich verwendeten neuen Li-Ionen-Akkus etwas höher) Sicher nützlicher Beitrag, kann aber die Nachtproduktion thermischer nicht ersetzen! Mit Akku-Speichersystemen nur Kurzzeitspeicherung! 4

5 9 Kosten von durch Batteriespeichern veredeltem Strom []: k E k A+E a t Z k PV η E k k a 365 t A+ E E = z + k PV η Kosten pro kwh erzeugte Energie. spezifische Anlagekosten für die Akku-Speicheranlage (für Pb ca Fr./kWh [3]). Abschreibungssatz für die vorgesehene Akkulebensdauer (z.b.,7% bei p = 3% / 0 Jahren) Pro Tag durchlaufene Akku-Zyklentiefe Kosten des PV-Stromes Zyklenwirkungsgrad (enthält Verluste im Akku, Gleich- und Wechselrichter, < η Wh des Akkus allein) E 0 Beispiel : Anlage mit Bleiakku heutiger Technologie [] : Bleiakku mit k A+E = 780Fr./kWh [3], Akku-Lebensdauer 0 Jahre, p = 3%, k PV = 25 Rp./kWh, Zyklentiefe t Z = 0,3 und η E = 75%: Damit wird a =,72% und es ergeben sich Stromkosten von,7 Fr. /kwh! Die Zusatzkosten für die Energieveredelung durch Akkuspeicherung betragen somit 92 Rp./kWh. Wenn der PV-Strom gratis wäre, verbleiben immer noch Kosten von 83 Rp./kWh! Zum Vergleich []: Zusatzkosten für die Energieveredelung bei einem Pumpspeicherwerk (Amortisationsdauer 40 Jahre) unter vergleichbaren Annahmen 0 Rp./kWh bei PV-Stromkosten von 25 Rp. resp. bei PV-Gratisstrom 2,5 Rp./kWh! 5

6 Beispiel 2 : Li-Ionen-Akku zukünftiger Technologie (Annahmen, ungewiss ob so realisierbar) [] : Li-Akku mit k A+E = 600Fr./kWh, Akku-Lebensdauer 0 Jahre, p = 3%, k PV = 25 Rp./kWh, Zyklentiefe t Z = 0,8 und η E = 89%: Damit wird a =,72% und es ergeben sich Stromkosten von 52Rp. /kwh! Die Zusatzkosten für die Energieveredelung durch Akkuspeicherung betragen somit noch 27 Rp./kWh. Wenn der PV-Strom gratis wäre, verbleiben noch Kosten von 24 Rp./kWh! Normierte Leistung P AC / P ACmax Normierte Dauerlinie einer PV-Anlage in Burgdorf für 997 Energieverluste bei Leistungsbegrenzung auf 0.7 P ACmax Energie ~ Fläche unter Kurve! Zeit in Stunden [h] Bild aus [] Idee: Abregelung bei Bedarf: Bei Leistungsbegrenzung auf etwas tieferen Wert als auftretender Maximalwert nur geringer Energieverlust, aber höhere Volllaststundenzahl! 2 6

7 2 CH-Stromerzeugung am mit KKW und maximaler PV-Leistung Gesamtproduktion Speicherkraftwerke Leistung in GW Thermische KW + Laufkraftwerke (mod.) PV total PV total + Grundlast-KW PV begrenzt (E PV ca. 7,8 TWh/a) PV unbegrenzt Bei noch höherem P PV : Export, Pumpen oder zusätzliche Begrenzung an krit. Tagen! Bild aus [] Uhrzeit (h) ca. 3% vom Jahresverbrauch Weitere Möglichkeit: Abregelung bei zu viel PV-Strom: Bei Begrenzung der eingespeisten Leistung auf etwas tieferen Wert als der auftretende Maximalwert kann mehr PV-Energie eingespeist werden! 4 Fazit: Akku-Speichersysteme können im Netzverbundbetrieb nur als Kurzzeitspeicher verwendet werden (nur einige Volllaststunden möglich bis Speicher leer) Die Speicherkosten sind bei Akku-Speichersystemen um ein Vielfaches höher als bei Pumpspeicherwerken Pumpspeicherwerke können wesentlich grössere Energiemengen speichern und haben deutlich längere Volllaststunden bis zur Speicherentleerung als Akku- Speichersysteme in Elektrofahrzeugen, gute Anlagen sind aber aus topografischen Gründen nicht überall möglich Sehr viele Akku-Speichersysteme können kurzzeitig sehr grosse Leistungsspitzen absorbieren und abgeben Für grosse Mengen an PV- und Windenergie kann zeitweise Abregelung bei Leistungsüberangebot auch sinnvoll sein 7

8 5 Literatur: [] H. Häberlin: "Photovoltaik Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen". Electrosuisse-Verlag, 8320 Fehraltorf, 200, ISBN (erscheint April 200). [2] C.J.Rydh: "Environmental assessment of vanadiumredox and lead-acid batteries for stationary energy storage". Journal of power sources 80 (999), p. 2 ff. [3] A. Oudalov, T. Buehler, D. Chartouni: "Utility Scale Applications of Energy Storage". IEEE Energy Conf., Atlanta, Georgia, USA, Nov Weitere Informationen über die Forschung auf dem Gebiet Photovoltaik an der BFH-TI: 8